計算思維與人工智能通識

課程導學 1
0.1 課程教學定位 1
0.2 課程教學思維 2
0.3 課程知識體系 4
第一部分——計算思維及其作用體現
第1章 從計算機科學到計算思維 10
§1.1 人類計算工具的進步 10
1.1.1 手工時代 11
1.1.2 機械時代 12
1.1.3 機電時代 15
1.1.4 電子時代 16
§1.2 計算機科學理論的形成 17
1.2.1 邏輯代數理論 17
1.2.2 香農與邏輯電路 18
1.2.3 維納的計算機設計原則 18
1.2.4 圖靈機和圖靈測試 19
1.2.5 馮·諾依曼計算機 20
§1.3 計算機學科 22
1.3.1 科學與學科的概念 22
1.3.2 計算學科的三種形態 23
1.3.3 計算機學科的根本問題 24
1.3.4 計算機學科的經典問題 25
§1.4 計算思維的基本概念 29
1.4.1 人類思維的進化 29
1.4.2 計算思維的描述 31
1.4.3 計算思維的本質 31
§1.5 計算思維在計算機學科中的作用 32
1.5.1 計算思維本質與計算學科形態的關系 33
1.5.2 計算思維在計算機學科中的體現 34
本章小結 38
習題1 38
第2章 數據表示的基本思維 40
§2.1 數制及其轉換——“人機兼容”的基本思維 40
2.1.1 進位計數制 40
2.1.2 數制之間的轉換 43
§2.2 數值數據的編碼表示——“語義符號數值化”的基本思維 46
2.2.1 符號位的編碼表示 46
2.2.2 小數點的編碼表示 47
2.2.3 機器數的運算規則 49
§2.3 字符數據的編碼表示——“字符信息數字化”的基本思維 53
2.3.1 西文字符的編碼表示 53
2.3.2 漢字字符的編碼表示 55
2.3.3 典型案例——字符處理 58
§2.4 邏輯數據的編碼表示——“邏輯符號數字化”的基本思維 59
2.4.1 邏輯代數概念 59
2.4.2 邏輯代數運算 60
§2.5 多媒體數據的編碼表示——“動態信息數字化”的基本思維 61
2.5.1 多媒體數據的基本概念 62
2.5.2 音頻數字化的編碼表示 63
2.5.3 圖像數字化的編碼表示 64
2.5.4 視頻數字化的編碼表示 65
本章小結 67
習題2 67
第3章 計算系統的基本思維 69
§3.1 計算系統的基本概念——“系統組成”的基本思維 69
3.1.1 計算機硬件系統 69
3.1.2 計算機軟件系統 70
3.1.3 計算機操作系統 71
3.1.4 軟件與硬件的關系 74
§3.2 處理器系統——“控制執行”的基本思維 75
3.2.1 CPU的結構組成 75
3.2.2 計算機指令系統 76
3.2.3 操作系統對CPU的管理 78
§3.3 存儲器系統——“存儲優化組合”的基本思維 80
3.3.1 內存 80
3.3.2 外存 82
3.3.3 存儲體系 83
3.3.4 操作系統對存儲器的管理 84
3.3.5 典型案例——計算機的工作過程 86
§3.4 文件管理系統——“長治久安”的基本思維 88
3.4.1 文件與文件系統 88
3.4.2 文件組織與結構 89
3.4.3 文件目錄與目錄結構 91
§3.5 輸入/輸出系統與總線系統——“組織與協調”的基本思維 92
3.5.1 輸入/輸出設備 92
3.5.2 輸入/輸出接口 93
3.5.3 總線系統 95
3.5.4 操作系統對輸入/輸出的管理 96
本章小結 97
習題3 97
第4章 程序設計的基本思維 99
§4.1 程序設計語言——抽象（Ⅰ） 99
4.1.1 程序設計語言的演變 99
4.1.2 源程序的翻譯 103
§4.2 程序設計方法——抽象（Ⅱ） 104
4.2.1 面向過程方法 104
4.2.2 面向對象方法 106
§4.3 程序設計算法——抽象（Ⅲ） 109
4.3.1 算法的基本概念 110
4.3.2 算法的設計要求 111
4.3.3 算法的復雜度 112
4.3.4 算法的描述方法 112
§4.4 數值數據求解——理論（Ⅰ） 114
4.4.1 枚舉算法 115
4.4.2 試探算法 116
4.4.3 遞推算法 117
4.4.4 疊代算法 118
4.4.5 遞歸算法 119
4.4.6 分治算法 120
4.4.7 貪心算法 121
§4.5 非數值數據處理——理論（Ⅱ） 122
4.5.1 線性表 122
4.5.2 棧 123
4.5.3 隊列 124
§4.6 數據元素的查找與排序——理論（Ⅲ） 125
4.6.1 查找算法 125
4.6.2 排序算法 126
本章小結 129
習題4 129
第5章 數據庫系統的基本思維 131
§5.1 數據庫技術概述——抽象（Ⅰ） 131
5.1.1 數據與信息 131
5.1.2 數據庫 133
5.1.3 數據庫管理系統 134
5.1.4 數據庫系統 135
§5.2 數據模型——抽象（Ⅱ） 137
5.2.1 數據模型的概念 137
5.2.2 概念模型 139
5.2.3 關系數據模型 140
5.2.4 關系數據模式 142
§5.3 關系數據庫——理論 144
5.3.1 關系代數的查詢運算 144
5.3.2 關系數據的查詢優化 147
5.3.3 關系數據模式的規範化 148
5.3.4 關系數據的並發控制 149
§5.4 構建數據庫應用系統——設計 150
5.4.1 數據庫應用系統設計要求 150
5.4.2 數據庫應用系統設計過程 151
本章小結 156
習題5 156
第6章 計算機網絡的基本思維 158
§6.1 計算機網絡概述——抽象 158
6.1.1 計算機網絡的基本概念 158
6.1.2 計算機網絡的基本類型 159
6.1.3 OSI/RM體系結構 161
6.1.4 TCP/IP體系結構 162
§6.2 數據通信與傳輸——理論 163
6.2.1 網絡數據通信 163
6.2.2 數據傳輸方式 165
6.2.3 多路復用技術 166
6.2.4 數據的編碼與調制 167
6.2.5 數據分組交換 171
§6.3 計算機網絡結構組成——設計（Ⅰ） 172
6.3.1 計算機網絡的拓撲結構 172
6.3.2 計算機網絡的邏輯結構 174
6.3.3 計算機網絡互聯 175
§6.4 Internet應用——設計（Ⅱ） 176
6.4.1 Internet的IP地址 176
6.4.2 Internet的域名系統 178
6.4.3 Internet提供的服務 179
§6.5 信息安全技術——設計（Ⅲ） 181
6.5.1 防病毒技術 181
6.5.2 防黑客技術 183
6.5.3 防火墻技術 183
6.5.4 信息加密技術 185
6.5.5 數字認證技術 188
本章小結 189
習題6 189
第二部分——人工智能及其作用體現
第7章 人工智能概述 192
§7.1 人工智能的基本概念 192
7.1.1 人工智能的起源 192
7.1.2 從現代計算機到智能計算機 193
§7.2 人工智能的探索 196
7.2.1 人工智能的探索歷程 196
7.2.2 人工智能的學術流派 200
§7.3 人工智能的研究 202
7.3.1 人工智能研究的意義及目的 202
7.3.2 人工智能研究的知識領域 203
§7.4 人工智能的體現 206
7.4.1 人工智能的功能特征 207
7.4.2 人工智能的基本類型 208
7.4.3 人工智能的思想方法 208
7.4.4 人工智能的模擬方法 210
§7.5 人工智能的編程語言 211
7.5.1 Prolog編程語言 212
7.5.2 MATLAB編程語言 213
7.5.3 Python編程語言 214
§7.6 人工智能的應用與發展 216
7.6.1 人工智能的應用領域 216
7.6.2 人工智能的發展趨勢 217
本章小結 219
習題7 219
第8章 人工智能核心技術 221
§8.1 機器學習概述 221
8.1.1 機器學習的基本概念 221
8.1.2 機器學習的基本類型 222
8.1.3 機器學習的基本策略 224
§8.2 神經網絡模型 225
8.2.1 生物神經網絡 225
8.2.2 神經網絡 226
8.2.3 神經網絡結構 230
8.2.4 反向傳播神經網絡 231
§8.3 深度學習 234
8.3.1 RNN 234
8.3.2 CNN 236
8.3.3 GAN 238
§8.4 自然語言處理 239
8.4.1 自然語言理解 239
8.4.2 文本生成 240
8.4.3 語義分析 241
8.4.4 情感分析 242
§8.5 智能語音處理 243
8.5.1 語音識別 243
8.5.2 語音合成 244
§8.6 計算機視覺 245
8.6.1 目標檢測 245
8.6.2 目標識別 246
8.6.3 目標跟蹤 247
8.6.4 圖像分割 247
8.6.5 圖像理解 248
§8.7 多模態融合 248
8.7.1 模態特征對齊 249
8.7.2 分層融合策略 249
8.7.3 動態優化機制 250
§8.8 多模態智能大模型 251
8.8.1 大模型核心組件 251
8.8.2 智能大模型 252
8.8.3 多模態模型 254
本章小結 254
習題8 255
第9章 人工智能應用技術 257
§9.1 專家系統 257
9.1.1 專家系統的發展歷程 257
9.1.2 現代專家系統的結構組成 258
9.1.3 專家系統的應用實例 260
§9.2 智能控制 262
9.2.1 智能控制的基本概念 262
9.2.2 遞階控制 263
9.2.3 模糊控制 264
§9.3 智能機器人 266
9.3.1 智能機器人的基本概念 266
9.3.2 智能機器人的結構組成 267
9.3.3 智能機器人的關鍵技術 269
§9.4 Agent 270
9.4.1 Agent的基本內涵 270
9.4.2 Agent的結構分類 273
9.4.3 Agent的功能特性 276
§9.5 人工智能產業鏈 278
9.5.1 基礎層 278
9.5.2 技術層 280
9.5.3 應用層 281
本章小結 283
習題9 284
第10章 計算機前沿技術及其人工智能賦能 285
§10.1 虛擬現實技術 285
10.1.1 虛擬現實的基本概念 285
10.1.2 虛擬現實的關鍵技術 287
10.1.3 虛擬現實的技術應用 288
10.1.4 人工智能對虛擬現實的賦能 290
§10.2 移動互聯網技術 290
10.2.1 移動互聯網的基本概念 290
10.2.2 移動互聯網的關鍵技術 291
10.2.3 移動互聯網的技術應用 292
10.2.4 人工智能對移動互聯網的賦能 294
§10.3 物聯網技術 294
10.3.1 物聯網的基本概念 294
10.3.2 物聯網的關鍵技術 296
10.3.3 物聯網的技術應用 297
10.3.4 人工智能對物聯網的賦能 298
§10.4 雲計算技術 299
10.4.1 雲計算的基本概念 299
10.4.2 雲計算的關鍵技術 301
10.4.3 雲計算的技術應用 303
10.4.4 人工智能對雲計算的賦能 304
§10.5 大數據技術 305
10.5.1 大數據的基本概念 305
10.5.2 大數據的關鍵技術 306
10.5.3 大數據的技術應用 307
10.5.4 人工智能對大數據的賦能 308
§10.6 區塊鏈技術 309
10.6.1 區塊鏈的基本概念 309
10.6.2 區塊鏈的關鍵技術 310
10.6.3 區塊鏈的技術應用 311
10.6.4 人工智能對區塊鏈的賦能 312
本章小結 313
習題10 313
第11章 AIGC 315
§11.1 AIGC概述 315
11.1.1 AIGC的發展歷程 315
11.1.2 AIGC的技術架構 317
11.1.3 AIGC的技術載體 318
11.1.4 AIGC的功能作用 319
§11.2 文本創作類AIGC的應用 320
11.2.1 文心一言的文本創作實踐 320
11.2.2 DeepSeek的編程實踐 322
§11.3 多媒體創作類AIGC的應用 326
11.3.1 圖像生成類AIGC工具 326
11.3.2 音頻生成類AIGC工具 329
11.3.3 多模態生成類AIGC工具 332
§11.4 應用開發平臺類AIGC的應用 335
11.4.1 應用開發平臺——扣子 335
11.4.2 扣子智能體開發實例 338
本章小結 341
參考文獻 342